Terra, vento e água: como os múons cósmicos estão ajudando a estudar vulcões, ciclones e muito mais – Physics World

Cientistas e engenheiros estão sempre tentando construir melhores sistemas de alerta precoce para mitigar os danos à vida e à propriedade causados ​​por desastres naturais, como vulcões. Uma técnica à qual os pesquisadores estão recorrendo cada vez mais é, de muitas maneiras, enviada pelo céu. Envolve o uso de múons: partículas subatômicas produzidas quando raios cósmicos – principalmente prótons de alta energia originários de eventos como supernovas – colidem com átomos de 15 a 20 quilômetros de altura em nossa atmosfera.

Sabemos que a atmosfera da Terra é constantemente atingida por esses raios cósmicos primários, com as colisões produzindo uma chuva de partículas secundárias, incluindo elétrons, píons, neutrinos e múons. Na verdade, até 10,000 múons desses raios cósmicos secundários caem em cada metro quadrado da superfície da Terra a cada minuto. Essas partículas têm todas as mesmas propriedades que os elétrons, mas cerca de 200 vezes a massa, o que significa que podem viajar muito mais longe através de estruturas sólidas do que os elétrons.

Mas o que torna os múons interessantes como sonda é que as interações entre os múons e os materiais pelos quais eles passam afetam seu fluxo, com objetos mais densos desviando e absorvendo mais múons do que estruturas menos densas. É essa diferença de fluxo que está sendo usada para obter imagens da estrutura interna dos vulcões em uma técnica conhecida como “muografia”. O termo foi cunhado em 2007 por Hiroyuki tanaka na Universidade de Tóquio e seus colegas, que forneceram a primeira demonstração de que vazios e cavidades dentro do vulcão poderiam ser detectados com a técnica (Planeta Terra. Sci. Lett. 263 1-2).

Também conhecida como tomografia de múons, ela usa detectores para produzir um mapa de densidade reversa do objeto pelo qual os múons passaram. Pontos onde mais múons atingem os sensores representam áreas menos densas da estrutura, enquanto menos múons destacam partes mais densas. Tanaka e seus colegas até tentaram prever erupções vulcânicas usando muografia combinada com uma rede neural convolucional de aprendizado profundo de IA. Em 2020, eles usaram essa técnica para estudar um dos vulcões mais ativos do mundo – o vulcão Sakurajima no sul do Japão (veja acima), que entrou em erupção 7000 vezes na última década (Sci. Rep. 10 5272).

Desenhar com múons

A muografia é muito semelhante à radiografia, segundo Jacques Marteau, físico de partículas do Instituto de Física dos 2 Infinitos (IP2I) em Lyon, França. “Ele substitui os raios X das imagens médicas por outra partícula, o múon”, diz ele. “A muografia é basicamente um processo de imagem que escaneia a densidade de um objeto exatamente da mesma maneira que a imagem de raios-X.”

A muografia é um processo de imagem que examina a densidade de um objeto exatamente da mesma maneira que a imagem de raios-X

Vários dispositivos diferentes podem ser usados ​​para detectar múons, a maioria dos quais foi desenvolvida como parte de experimentos de física de partículas, como no Grande Colisor de Hádrons do CERN. Quando se trata de vulcões de imagem, no entanto, os detectores mais comumente usados ​​consistem em camadas de cintiladores. À medida que os múons passam pelo detector, cada camada produz um flash de luz que, em conjunto, pode ser usado para reconstruir a trajetória de chegada das partículas. Os detectores são colocados nas encostas mais baixas do vulcão e são angulados para detectar os múons que passam por ele.

Mas a muografia não foi usada apenas para obter imagens da estrutura interna dos vulcões. Os pesquisadores também usaram a técnica para detectar mudanças na densidade dentro dos vulcões ligadas ao aumento do magma, bem como mudanças na forma do magma, atividade hidrotermal e pressão nas cavidades e condutos.

espreitadelas vulcânicas

Giovanni Macedônio, diretor de pesquisa do Instituto Nacional de Geofísica e Vulcanologia de Roma, na Itália, explica que existem três técnicas principais para estudar e monitorar vulcões. Uma delas é usar dados sísmicos. Outra é medir as deformações do solo com satélites, enquanto uma terceira envolve a análise da geoquímica dos fluidos do vulcão.

A muografia possibilita o estudo da dinâmica dos fluidos porque permite ver a estrutura interna da parte superior do vulcão, principalmente em vulcões menores. Isso não apenas revela o caminho que o magna percorreu em erupções passadas, mas também possibilita modelar a atividade potencial durante erupções futuras. Detalhes da geometria interna, por exemplo, podem mostrar onde no cone uma erupção pode ocorrer e quão poderosa ela pode ser.

Macedonio e seus colegas estão estudando o uso da muografia para estudar o Monte Vesúvio como parte de um projeto de pesquisa conhecido como MURAVES (J.Inst. 15 C03014). Famoso por sua destruição das cidades romanas de Pompéia e Herculano, o Vesúvio continua sendo um vulcão ativo e é uma presença perigosa e taciturna, principalmente porque tantas pessoas moram perto. Durante a última erupção em 1944, parte da cratera foi expelida do vulcão, mas algum magma denso se solidificou na cratera.

O que o MURAVES pretende fazer é conhecer a estrutura interna do vulcão após as erupções dos séculos XIX e XX, para que se possa modelar o seu comportamento futuro. Como os vulcões são ambientes dinâmicos, sua estrutura muda, principalmente durante as erupções, o que pode afetar seu comportamento no futuro.

Macedonio também está usando múons para estudar o Monte Stromboli, um vulcão ativo nas Ilhas Eólias, na costa norte da Sicília. Estudar as estruturas internas de vulcões ativos e adormecidos pode nos ajudar a entender o comportamento vulcânico e explicar por que eles geram pequenas ou grandes erupções. “A estrutura interna, a geometria dos condutos, é um parâmetro importante que determina a dinâmica do vulcão”, diz Macedonio. Essas informações de vulcões ativos podem ser usadas para ajudar a modelar e prever como outros vulcões podem se comportar.

Já Marteau tem usado a muografia para estudar o vulcão La Soufrière, na ilha francesa de Basse-Terre, no Caribe. A cúpula relativamente pequena do vulcão, explica Marteau, pode ser facilmente desestabilizada por atividades como terremotos e movimentos de magna. Isso pode despressurizar cavidades cheias de vapor quente de alta pressão, levando ao que é conhecido como erupção “freática”. Estas são erupções vulcânicas que envolvem líquidos e vapores de alta temperatura, em vez de magma.

Embora essas erupções não sejam tão conhecidas quanto as que envolvem magma, elas ainda podem ser poderosas e perigosas. Em setembro de 2014, por exemplo, o lado sudoeste do vulcão Ontake, no Japão, entrou em erupção sem aviso prévio, matando 63 pessoas que faziam caminhadas na montanha (Terra Planetas Espaço 68 72). A erupção do vapor criou uma enorme pluma de 11 quilômetros de altura.

No caso de vulcões como o La Soufrière, o que dita se uma erupção vai acontecer ou não é a estrutura mecânica da cúpula. “Você precisa de uma técnica como a muografia para entender quais são e onde estão os pontos fracos”, diz Marteau.

A muografia também pode ser usada para monitorar a dinâmica de fluidos em vulcões como La Soufrière. Dentro de muitos vulcões, explica Marteau, há muito fluido circulando entre diferentes cavidades. Embora os fluidos possam ser líquidos, o aumento da atividade do magma e o calor nas profundezas do vulcão podem transformá-los em vapor.

Com a muografia, você pode observar essas mudanças na dinâmica dos fluidos dentro da cúpula. Por exemplo, se os líquidos em uma cavidade se transformarem em vapor, haverá uma diminuição na densidade e um aumento no fluxo de múons.

Tal mudança – o preenchimento de uma cavidade com vapor sob pressão – é algo que pode causar uma erupção. “Isso é algo que você pode acompanhar em tempo real com a muografia, e essa é a única técnica capaz de fazer isso”, diz Marteau.

Em 2019, Marteau e seus colegas demonstraram que a muografia em combinação com o monitoramento de ruído sísmico pode detectar mudanças abruptas na atividade hidrotermal na cúpula do vulcão La Soufrière (Sci. Rep. 9 3079).

O fluxo antes da tempestade

Tanaka, que foi pioneiro no uso de múons para visualizar vulcões, agora está de olho em outro perigo natural perigoso: ciclones tropicais. Atingindo velocidades de mais de 120 quilômetros por hora, essas tempestades rotativas causam enormes danos à propriedade e são responsáveis ​​por muitas mortes todos os anos. Eles se originam nos oceanos tropicais e são conhecidos como furacões, tufões ou, simplesmente, ciclones, dependendo de onde ocorrem no mundo.

Os ciclones se desenvolvem quando o ar de baixa pressão é aquecido sobre o oceano tropical quente. Com o tempo, isso cria uma coluna quente e úmida de ar que sobe rapidamente; causando uma depressão de baixa pressão para se desenvolver na superfície do oceano. Isso fortalece ainda mais as correntes de convecção, levando ao desenvolvimento de um poderoso sistema de tempestade rotativa que fica cada vez mais forte.

Essas tempestades tropicais são atualmente previstas, monitoradas e rastreadas usando satélites, radares e outros dados meteorológicos. Aeronaves reforçadas podem até voar através deles para coletar dados como a pressão do ar. Mas nenhuma dessas técnicas fornece detalhes sobre as diferenças de pressão e densidade do ar ao longo do ciclone. São esses gradientes que impulsionam as correntes de convecção e a velocidade do vento.

Na ilha de Kyushu – a mais ao sul das cinco ilhas principais do Japão e um ponto quente para ciclones – Tanaka e sua equipe estão investigando como a mudança no fluxo de múons pode mostrar diferenças na densidade e pressão do ar no ciclone, fornecendo informações sobre a velocidade do vento e a tempestade. força. De acordo com Tanaka, sua rede de detectores de cintiladores na ilha de Kyushu pode gerar imagens de tempestades a cerca de 150 quilômetros de distância. Isso é possível porque enquanto alguns raios cósmicos entram na atmosfera verticalmente, outros atingem muito mais horizontalmente, criando múons que voam em direção à Terra em ângulos muito rasos e podem viajar até 300 km antes de atingir o solo.

O ar mais denso absorve mais múons, então seu fluxo fornece uma medida da densidade – e, portanto, da pressão e temperatura – do ar em vários pontos ao longo de um ciclone. Como resultado, a equipe de Tanaka pode criar uma imagem dos gradientes de temperatura e pressão dentro do ciclone. “[Usando esta técnica] podemos medir a velocidade horizontal e vertical do vento dentro do ciclone”, diz Tanaka, cuja equipe usou a muografia para observar oito ciclones se aproximando da cidade de Kagoshima. As imagens resultantes capturaram os núcleos quentes de baixa pressão dos ciclones, cercados por ar mais denso, mais frio e de alta pressão (Sci. Rep. 12 16710).

Usando mais detectores de múons, Tanaka espera que seja possível criar imagens 3D mais detalhadas das estruturas de energia dentro dos ciclones. “Prevejo que, com a muografia, podemos prever a força de um ciclone e quanta chuva ele trará ao solo”, diz Tanaka. “Isso provavelmente é algo que pode ser usado para sistemas de alerta precoce.”

Mudança das marés

Tanaka também tem usado a muografia para medir outro perigo ligado aos ciclones: os meteotsunamis. Abreviação de tsunamis meteorológicos, eles ocorrem em corpos d'água fechados ou semifechados, como baías e lagos. Ao contrário dos tsunamis, que são resultado da atividade sísmica, eles são causados ​​por mudanças bruscas na pressão atmosférica ou nos ventos, como os causados ​​por ciclones e frentes meteorológicas.

As oscilações extremas da água dos meteotsunamis podem durar de alguns minutos a várias horas e podem causar danos significativos. Por exemplo, 75 pessoas ficaram feridas em 4 de julho de 1992, quando um meteotsunami atingiu Daytona Beach, no leste da Flórida, nos Estados Unidos (Nat. Perigos 74 1-9). Com ondas atingindo três metros de altura, o meteotsunami foi causado por uma linha de instabilidade – um sistema de tempestades em movimento rápido.

O Tokyo-Bay Seafloor Hyper-Kilometric Submarine Deep Detector (TS-HKMSDD) é uma linha de detectores de múons instalados em um túnel rodoviário de nove quilômetros sob a Baía de Tóquio. Os sensores medem múons passando pela água acima.

Em setembro de 2021, um ciclone percorreu o Pacífico cerca de 400 km ao sul da Baía de Tóquio. Com o passar da tempestade, um grande swell se moveu pela Baía de Tóquio e o número de múons detectados pelo TS-HKMSDD flutuou. O volume extra de água fez com que mais múons se espalhassem e decaíssem, e os números que chegavam aos detectores diminuíram. Quando a equipe verificou seus dados de múons, eles descobriram que eles correspondiam às medições do medidor de maré (Sci. Rep. 12 6097).

Para medir as ondas, os detectores não precisam estar em um túnel sob o corpo d'água. “Podemos detectar qualquer lugar com um espaço subterrâneo próximo à beira-mar”, explica ele. Isso pode incluir túneis rodoviários e subterrâneos próximos à costa e outros espaços subterrâneos, como estacionamentos e porões comerciais.

Tal como acontece com os ciclones, a detecção de meteotsunamis dependeria dos detectores que detectam múons viajando em ângulos rasos pela atmosfera e, em seguida, pela água e pela costa. De acordo com Tanaka, essas configurações podem medir os níveis de água até cerca de três a cinco quilômetros da costa. “Não queremos saber o momento em que [o meteotsunami] chegará”, diz ele. “Queremos saber antes que atinja a terra.”

Tanaka acredita que tais sistemas também poderiam ser usados ​​para medir os níveis das marés e criar uma densa rede de monitoramento das marés. Afinal, os detectores de múons têm uma grande vantagem sobre os marégrafos mecânicos: eles não estão em contato com a água. Isso os torna mais confiáveis, pois não se desgastam com o tempo e não podem ser danificados por grandes tempestades. Na verdade, o TS-HKMSDD no túnel Aqua-Line da Baía de Tóquio mediu continuamente por um ano, sem nem mesmo um único segundo de dados ausentes. Quem teria pensado que o humilde múon poderia fazer tanto para nos preparar contra desastres naturais?

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/